光学系统、发射装置、接收装置及激光雷达

技术领域

本发明属于激光雷达探测技术领域，尤其涉及一种光学系统、发射装置、接收装置及激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，工作原理为：向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、形状等参数，从而对车辆、飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

激光雷达一般包括发射装置和接收装置，其中发射装置包括激光光源和发射光学系统，接收装置包括探测器和接收光学系统。但目前的发射光学系统和接收光学系统的结构简单，存在至少以下问题：

经激光光源发出的激光束中位于外缘区域的激光光线易由发射光学系统的一侧穿过，最终无法经发射光学系统发出照射至目标上；经接收光学系统传导的回波光信号中位于外缘区域的回波光线易照射至探测区接收区域外，进而导致该部分回波光信号无法被接收到，影响激光雷达的探测精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学系统、发射装置、接收装置及激光雷达，旨在解决经现有技术中的光学系统的出光效率或者接收光线效率不佳的技术问题。

本发明是这样实现的，第一方面，提供了一种光学系统，包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件和透镜组，所述角度偏折件用于将激光光源发出的激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向所述光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的所述激光光线进入所述透镜组，和/或，用于将经所述透镜组传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向所述光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的所述回波光线进入探测器。

在其中一个实施例中，所述透镜组包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的具有正屈折力的第一透镜、具有负屈折力的第二透镜和具有正屈折力的第三透镜，所述第一透镜的物侧面为球柱面，像侧面为凸面，所述第二透镜为双凹透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面，像侧面为凹面。

在其中一个实施例中，所述第一透镜的凸面为非球面。

在其中一个实施例中，所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜满足关系式：

1.5

其中，n1为所述第一透镜在波长为950nm时的折射率，n2为所述第二透镜在波长为950nm时的折射率，n3为所述第三透镜在波长为950nm时的折射率。

在其中一个实施例中，所述光学系统的光程为90mm，所述光学系统的焦距为67mm，所述光学系统的后焦距为48.8mm。

在其中一个实施例中，所述角度偏折件为楔形镜，所述楔形镜包括入光面和出光面，所述出光面包括平行所述入光面的第一出光区域，以及环绕所述第一出光区域的锥形面，所述锥形面的口径由所述第一出光区域向所述入光面逐渐增大。

第二方面，提供了一种发射装置，包括激光光源和发射光学系统，所述激光光源用于提供激光束，所述发射光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件和透镜组，所述角度偏折件用于将所述激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向所述光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的所述激光光线进入所述透镜组，所述透镜组用于整形并出射所述角度偏折件传导的所述激光光线。

在其中一个实施例中，所述透镜组为上述各实施例提供光学系统中的透镜组。

在其中一个实施例中，所述角度偏折件为楔形镜，所述楔形镜包括入光面和出光面，所述出光面包括平行所述入光面的第一出光区域，以及环绕所述第一出光区域的锥形面，所述锥形面的口径由所述第一出光区域向所述入光面逐渐增大。

第三方面，提供了一种接收装置，包括探测器和接收光学系统，所述接收光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件和透镜组，所述透镜组用于接收、整形并出射回波光信号；所述角度偏折件用于将经所述透镜组传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向所述光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的所述回波光线进入所述探测器，所述探测器用于接收并处理经所述角度偏折件传导的所述回波光信号。

在其中一个实施例中，所述透镜组为上述各实施例提供光学系统中的透镜组。

在其中一个实施例中，所述角度偏折件为楔形镜，所述楔形镜包括入光面和出光面，所述出光面包括平行所述入光面的第一出光区域，以及环绕所述第一出光区域的锥形面，所述锥形面的口径由所述第一出光区域向所述入光面逐渐增大。

第四方面，提供了一种激光雷达，包括上述各实施例提供的发射装置和上述各实施例提供的接收装置。

在其中一个实施例中，所述发射装置还包括位于所述发射光学系统的出光侧的第一滤光件，所述第一滤光件用于供所述激光光线穿过，并过滤可见光；

和/或，所述接收装置还包括位于所述接收光学系统的入光侧的第二滤光件，所述第二滤光件用于供所述回波光信号穿过，并过滤可见光。

本发明相对于现有技术的技术效果是：本发明实施例提供的光学系统，在透镜组的像面侧加设了角度偏转件，使得光学系统作为发射光学系统使用时，在不改变激光光源的出射角度的前提下，位于外缘区域内的激光光线可以经角度偏转件转变原有的传播方向，以向光轴方向倾斜，进而提升激光光线入射至透镜组的能量及激光雷达发射装置的准直效率，使得更多的激光光线能够经透镜组照射至探测目标上；作为接收光学系统使用时，位于外缘区域内的回波光线可以经角度偏转件转变原有的传播方向，以向光轴方向倾斜，进而使得经透镜组传播的回波光线可以经角度偏转件更多的照射至探测器上。由此可见，应用本发明实施例提供的光学系统，可有效提升激光雷达的探测精度。

可以理解的是，上述第二方面至第四方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的发射装置的结构示意图，图中未示出激光光源；

图2是图1所示发射装置的光路原理图；

图3是本发明实施例提供的接收装置的结构示意图。

附图标记说明：

100、角度偏折件；200、透镜组；210、第一透镜；220、第二透镜；230、第三透镜；300、激光光源；400、探测器；500、第一滤光件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

激光雷达一般包括发射装置和接收装置。其中，发射装置包括激光光源和发射光学系统，接收装置包括探测器和接收光学系统。发射光学系统和接收光学系统的结构可以相同，也可以不同，具体可以根据出光效果及接收效果而定。

为解决前述发射光学系统和/或接收光学系统存在的问题，本发明一实施例提供了一种光学系统。该光学系统既可以作为发射光学系统使用，也可以作为接收光学系统使用，还可以作为同轴激光雷达中发射光路和接收光路共用的光学系统使用，具体可以根据使用需要灵活选择。当上述光学系统作为发射光学系统使用时，可以使得尽可能多的激光光线照射至探测目标上；当上述光学系统作为接收光学系统使用时，可以将尽可能多的回波光信号传导至探测器的接收区域内。

请参照图1至图3所示，光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件100和透镜组200，角度偏折件100用于将激光光源300发出的激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的激光光线进入透镜组200，和/或，用于将经透镜组200传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的回波光线进入探测器400。

具体的，当本实施例提供的光学系统作为发射光学系统使用时，角度偏折件100用于将激光光源300发出的激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的激光光线进入透镜组200。当本实施例提供的光学系统作为接收光学系统使用时，角度偏折件100用于将经透镜组200传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的回波光线进入探测器400。当本实施例提供的光学系统作为同轴激光雷达中发射光路和接收光路共用的光学系统使用时，角度偏折件100既用于将激光光源300发出的激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的激光光线进入透镜组200，也用于将经透镜组200传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的回波光线进入探测器400。

上述预设比例可根据出光效果和/或接收效果人为设定。本实施例中的透镜组200可以包括一个或者多个透镜，透镜的具体结构可以根据出光效果和/或接收效果而定。具体的，当本实施例提供的光学系统作为发射光学系统使用时，可采用目前现有发射光学系统中的透镜组200，也可以根据发射效果自行设计。当本实施例提供的光学系统作为接收光学系统使用时，可采用目前现有接收光学系统中的透镜组200，也可以根据发射效果自行设计。当本实施例提供的光学系统作为同轴激光雷达中发射光路和接收光路共用的光学系统使用时，可采用目前现有同轴激光雷达所用的光学系统，也可以根据发射效果自行设计。

本实施例中角度偏转件可以采用多种形式，如一个或者多个楔形镜、一个或者多个楔形镜和平面镜的组合或者其他可以实现光线传播方向偏折的组件。举例说明，角度偏转件可以为沿光轴对称且间隔设置的两个楔形镜；角度偏转件还可以为环绕光轴设置的多个楔形镜。当然，角度偏转件还可以采用其他结构，只要能实现上述功能即可。

为便于描述，下文均以光学系统作为发射光学系统为例，对光学系统的结构及使用效果进行说明。应当理解的是，当光学系统作为接收光学系统或者同轴激光雷达中发射光路和接收光路共用的光学系统时，其原理及效果与光学系统作为发射光学系统使用时相似。

采用本发明实施例提供的光学系统的激光雷达的工作原理为：

激光光源300发生激光束，该激光束先经角度偏转件调整光线传播角度后，再照射至透镜组200，经透镜组200出射至探测目标上，之后经探测目标反射形成回波光信号，回波光信号经接收装置接收并分析得出探测物目标的相应探测数据。

在上述过程中，当激光束经过角度偏转件时，位于中央区域的激光光线的传播方向不变，位于外缘区域的至少部分激光光线的传播方向会向中央区域(即光轴所在方向)偏转。如图2所示，外缘区域的光线在未经角度偏转件之前，可能是沿平行于光轴的方向传播的，此时激光光线的传播方向与光轴之间的夹角为0°，当发光位置距离光轴中心较远时，若不经角度偏转件，大部分光束将无法进入透镜组200，在经过角度偏转件后，其传播方向与光轴的夹角变为锐角θ，原本无法进入透镜组200的至少部分光线可以经透镜组200照射至探测目标上，提升了透镜组200的出光效率。

本发明实施例提供的光学系统，在透镜组200的像面侧加设了角度偏转件，使得光学系统作为发射光学系统使用时，在不改变激光光源300的出射角度的前提下，位于外缘区域内的激光光线可以经角度偏转件转变原有的传播方向，以向光轴方向倾斜，进而提升激光光线入射至透镜组200的能量及激光雷达发射装置的准直效率，使得更多的激光光线能够经透镜组200照射至探测目标上；作为接收光学系统使用时，位于外缘区域内的回波光线可以经角度偏转件转变原有的传播方向，以向光轴方向倾斜，进而使得经透镜组200传播的回波光线可以经角度偏转件100更多的照射至探测器400上。由此可见，应用本发明实施例提供的光学系统，可有效提升激光雷达的探测精度。

在一个可选的实施例中，如图1及图3所示，透镜组200包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的具有正屈折力的第一透镜210、具有负屈折力的第二透镜220和具有正屈折力的第三透镜230，第一透镜210的物侧面为球柱面，像侧面为凸面，第二透镜220为双凹透镜，第三透镜230的物侧面为凸面，像侧面为凹面。

本实施例中第一透镜210、第二透镜220和第三透镜230的入光面和出光面可以分别为球面，也可以分别为非球面，具体可以根据出光效果而定。

此外，第一透镜210、第二透镜220和第三透镜230的材质可以为玻璃、塑料或玻塑混合材料。透镜组200采用本实施例提供的结构，结构简单，便于组装。

在一个可选的实施例中，第一透镜的凸面为非球面。本实施例中的第一透镜集成了非球面和柱面，其中物侧面柱面的作用为校正滤光罩柱面对光学系统产生的影响，像侧面的作用为初步接收反射面返回的回波光束，并初步校正像差。传统的激光雷达光学系统，柱面镜和非球面镜通常由两片透镜组成，本实施例将非球面和柱面集成在一片透镜上，可减少光学系统的镜片个数，节约光学系统的成本，同时降低了光学系统的重量，有利于实现光学系统的轻量化和小型化。

在一个可选的实施例中，第一透镜、第二透镜和第三透镜满足关系式：

1.5

其中，n1为第一透镜在波长为950nm时的折射率，n2为第二透镜在波长为950nm时的折射率，n3为第三透镜在波长为950nm时的折射率。

通过对第一透镜、第二透镜和第三透镜的面型和屈光度进行合理设计，使光学系统满足上述关系式，可使得经光学系统发出的光斑尺寸较小，并满足45°视场，当上述各透镜不满足上述折射率范围时，则光线聚焦效果差，会导致经光学系统发出的光斑尺寸较大，或者无法满足45°视场。

在一个可选的实施例中，光学系统的光程为90mm，光学系统的焦距为67mm，光学系统的后焦距为48.8mm。

相比传统光学系统，本实施例提供的光学系统光程由120-150mm减小至90mm，光学系统焦距EFL由80-100mm减小至67mm，后焦距BFL由60-80mm减小至48.8mm，整体光程减小，可有效减小产品直径。另外，光学系统光程的减小，光线无需折返即可完全通过光学系统，减小了光学系统的总长度，使结构设计简单。

如图2及图3所示，在一个可选的实施例中，角度偏转件100为一个楔形镜，楔形镜包括入光面和出光面，出光面包括平行入光面的第一出光区域，以及环绕第一出光区域的锥形面，锥形面的口径由第一出光区域向入光面逐渐增大。

角度偏转件采用本实施例提供的结构，光束入射到光学系统的几何角度数学关系如下，光线未经过楔形镜时传播方向与光轴的夹角为0°，楔形镜斜面与光轴的夹角为α，楔形镜折射率为n1，经过楔形镜后光线的传播方向与主光轴的夹角θ为

θ＝α-π/2+arcsin(n1*cosα)；

此时，上述夹角θ与透镜组200的主光线角(CRA)更接近，从而可有效提升透镜组200的出光效率。

上述楔形镜可以采用一体成型结构，也可以采用分体结构。采用一体成型结构时，便于搬运和组装；采用分体结构时，可根据出光效果采用不同的形状，适用范围更广。

请参照图1及图2所示，在本发明的另一实施例中，提供了一种发射装置，包括激光光源300和发射光学系统，激光光源300用于提供激光束，发射光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件100和透镜组200。角度偏折件100用于将激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的激光光线进入透镜组200。透镜组200用于整形并出射角度偏折件100传导的激光光线。

本实施例中的激光光源300一般包括阵列排布的多个光源，用于发出阵列激光。利用本实施例中的发射光学系统不仅可以整形激光束的形状还可以调整激光束的能量分布情况。本实施例中的透镜组200可采用上述各实施例提供的光学系统中的透镜组，这里不再赘述。角度偏折件100也可以采用上述各实施例提供的光学系统作为发射光学系统使用时的设置方式，这里不再赘述。

本发明实施例提供的发射装置，包括激光光源300和发射光学系统，其中发射光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件100和透镜组200。角度偏折件100用于将激光束中位于外缘区域内的至少部分激光光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的激光光线进入透镜组200。如此，在不改变激光光源300的出射角度的前提下，位于外缘区域内的激光光线可以经角度偏转件转变原有的传播方向，以向光轴方向倾斜，进而提升激光光线入射至透镜组200的能量及发射装置的准直效率，使得更多的激光光线能够经透镜组200照射至探测目标上。相比传统的激光雷达发射装置，本发明实施例提供的发射装置有激光光源300可阵列排布、出光效率高等特点。

在一个可选的实施例中，发射装置还包括位于发射光学系统的出光侧的滤光罩，滤光罩用于过滤可见光，以提高采用本实施例提供的发射装置的激光雷达探测的精确度。

请参照图3所示，在本发明的另一实施例中，提供了一种接收装置，包括探测器400和接收光学系统，接收光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件100和透镜组200。透镜组200用于接收、整形并出射回波光信号。角度偏折件100用于将经透镜组200传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的回波光线进入探测器。探测器400用于接收并处理经角度偏折件100传导的回波光信号。

本实施例中的透镜组200可采用上述各实施例提供的光学系统中的透镜组，这里不再赘述。角度偏折件100也可以采用上述各实施例提供的光学系统作为接收光学系统使用时的设置方式，这里不再赘述。

本发明实施例提供的接收装置，包括探测器400和接收光学系统，接收光学系统包括沿光轴方向由像面到物面依次设置的角度偏折件100和透镜组200。透镜组200用于接收、整形并出射回波光信号。角度偏折件100用于将经透镜组200传导的回波光信号中位于外缘区域内的至少部分回波光线向光轴方向偏折，以使大于等于预设比例的回波光线进入探测器。如此，位于外缘区域内的回波光线可以经角度偏转件转变原有的传播方向，以向光轴方向倾斜，进而使得经透镜组200传播的回波光线可以经角度偏转件100更多的照射至探测器400上。另外，未添加角度偏转件的接收装置在接收视场角为β时对应的像高为y，而采用本实施例提供的接收装置，接收透镜组200视场角为β是对应探测器400距离光轴中心距离为y’，y’

在一个可选的实施例中，接收装置还包括位于接收光学系统的入光侧的滤光罩，滤光罩用于过滤可见光，以提高采用本实施例提供的接收装置的激光雷达探测的精确度。

在本发明的另一实施例中，提供了一种激光雷达，包括上述各实施例提供的发射装置和上述各实施例提供的接收装置。

请参照图1所示，在一个可选的实施例中，发射装置还包括位于发射光学系统的出光侧的第一滤光件500，第一滤光件500用于供激光光线穿过，并过滤可见光；

和/或，接收装置还包括位于接收光学系统的入光侧的第二滤光件，第二滤光件用于供回波光信号穿过，并过滤可见光。

第一滤光件500和第二滤光件分别用于过滤可见光，以提高采用本实施例5提供的发射装置和/或接收装置的激光雷达探测的精确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，仅具体描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等

同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发0明的其他具体实施方式，均应包含在本发明的保护范围之内。